CN101820993A - 颗粒过滤器用于限制催化剂失活的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及整块体作为颗粒过滤器用于在多管反应器中的催化反应期间限制催化剂的失活。本发明特别适合用于气相中的催化氧化反应。本发明还涉及包括整块体作为颗粒过滤器的多管反应器。

Description

颗粒过滤器用于限制催化剂失活的用途
本发明涉及多相催化，特别是涉及整块体(monolithes)作为颗粒过滤器来限制固定床反应器中催化剂失活的用途。本发明还涉及包含该整块体作为颗粒过滤器的固定床反应器。
众多工业过程使用多相催化反应。在这些过程中出现的主要问题之一是催化剂失活问题。多相催化剂存在不同失活的方式，如有机或无机化合物的沉积，活性位点的毒化，和金属的损失。
在这些失活方式中，在催化剂表面上形成沉积物限制了试剂到达活性位点并因此逐渐降低反应器的性能。这种活性损失通常与催化剂的化学性质相关，其在其表面促进副反应或聚合反应。在其它情况中，这些沉积物的前体在催化床的上游形成或者是试剂中存在的杂质，并且沉积在催化床的顶部。
通用术语“焦炭”用于定义沉积物(其性质并非完全是有机的)的形成：其可以是得自试剂的降解或者试剂中存在的杂质的含碳沉积物，但也可以是无机化合物，如催化剂粉尘，包括得自所涉及的催化床上游的过程的粉尘。所述焦炭沉积物也可以含有来自反应器磨损或腐蚀和/或位于催化床上游的单元的金属颗粒。在大多数情况下，其是并合了催化剂失活的各种方式的有机/无机混合物。
焦炭的形成导致催化剂性能的劣化并因此限制了反应产物的产率。
催化剂活性的丧失意味着装置的周期性停车以再生催化剂，例如用热的方法再生，这导致工业装置缺乏生产率。
当焦炭在催化床上游具有其前体时，限制催化剂失活的一种工业解决方案是在催化床上游使用牺牲床(lit sacrificiel)。这种牺牲床可以由催化剂或者由化学惰性固体的珠构成。这种牺牲床在焦炭沉积物到达催化床之前固定所述焦炭沉积物。然后周期性地更换所述牺牲床以保持催化剂性能。在某些情况下，可以层叠数个连续的层以优化反应器操作。这是例如在石油馏分加氢处理中的情况；惰性固体的层被用于固定最大的颗粒，尤其是反应器腐蚀所产生的金属颗粒或不饱和分子的聚合产生的胶。活性固体的层用于捕获金属例如钒、镍、砷或钠，它们是已知的加氢处理催化剂毒物。这些不同的层被置于加氢处理中涉及的催化剂之上，并因此限制其失活。
已经提出的其它方案以避免由于焦炭的形成而导致的催化剂失活。专利申请EP 1714955披露了一种用于在固定床多管反应器中消除固体有机物质沉积的方法，该方法在于在催化剂填充的管的顶部，或者在催化剂的层之间，或者作为与催化剂的混合物，引入Hammett酸度为-5.6至1.5的固体；该方法适于气相催化氧化反应，更特别地适于在分子氧的存在下丙烯氧化成丙烯醛，接着是丙烯醛氧化成丙烯酸的反应。
在专利申请EP 1734028中，使用过滤的空气作为氧气源，实施了在催化剂存在下使用氧化反应从丙烯或丙烷制备丙烯醛和丙烯酸的方法。过滤器，例如金属网型的过滤器，被用在所述方法的上游以除去所述方法所需的空气中悬浮存在的颗粒。
其它解决方案，如专利US 6545178中披露的方案，在于通过使用不含杂质的原材料，限制是催化剂上沉积物的根源的副产物的形成。然而，这种方法确实需要预先纯化原材料，如用于制备丙烯醛/丙烯酸的丙烯，而这导致该工艺的高成本。
通常，常规工业方法在催化床上游使用由陶瓷材料(其不必是化学惰性的)制成的小尺寸珠床(lit de billes)，作为由于焦炭的沉积导致的催化剂失活问题的解决方案。所述珠被简单地放置在多管反应器每个管中的催化床之上。它们通过例如吸出该珠床而进行置换，并且为了不破坏位于惰性珠床之下的催化床必须采取大量的预防工作。这种操作不仅就时间而言是昂贵的，而且使工作人员暴露。此外，使用抽吸来卸载通常由于焦炭而彼此牢固结合的珠，导致破坏了每次操作必须被置换的珠。
出人意料地，发现可以通过使用整块体结构的颗粒过滤器(它们已知用于柴油机颗粒过滤器)来在多管反应器中的催化反应期间限制催化剂的失活。
因此，本发明的一个主题是整块体(monolithes)作为在多管反应器中在催化反应期间限制催化剂失活的颗粒过滤器的用途，所述整块体包括其壁由多孔陶瓷材料制成的且其入口截面大于或等于出口截面的平行通道。
所述整块体，优选由单块构成，被简单地放置在催化床上。因此它们可以容易地被取出和置换。与例如必须极端小心(以不损坏位于惰性珠床下面的催化床)吸取该珠床相比，置换由单块构成的整块体要容易得多。
与珠床相比，所述整块体还导致更低的压降。事实是所述压降仅由所述整块体的壁的厚度产生，其壁厚与等于所述单块长度的珠床相比要小得多。
阅读后面的描述并参考附图，本发明的其它特征和优点将变得更加显而易见，在所述附图中：
-图1描述了在整块体中捕获颗粒的原理。
-图2-8描述了本发明中使用的整块体的筛孔的例子。
-图9示出了本发明的一个特定实施方案。
本发明中使用的所述整块体是已知通过减少某些组分(包括固体颗粒)用于过滤柴油发动机的废气的过滤器。这些颗粒过滤器(FAP)特别描述于著作“Les technologies des moteurs de véhicules lourds et leurscarburants”卷1，第5章-G.Plassat，ADEME中。
本发明中的所述整块体包括平行通道，其壁通常由多孔陶瓷材料制成，它们的入口截面大于或等于它们的出口截面，它们的特征在于一些通道在一端被堵塞以迫使进入的气体流动穿过分离所述通道的多孔壁，那么径向地，与流动方向成直角地，而不是在流动方向上进行过滤。优选地，每两个通道中一个通道交替地在一端被堵塞。
整块体的捕获方法示于图1中。陶瓷整块体的过滤机理同时是深度过滤和表面过滤。首先，所述颗粒通过沉积、通过惯性(inertie)和通过扩散被收集在孔中。随着所述过滤器负载提高，也可以实施表面过滤。
所述过滤材料的性质是同时影响其性能和耐久性的参数。其必须物理地捕获固体颗粒并保持它们直至下一次再生。
本发明的所述整块体可以由各种多孔陶瓷制成，包括碳化硅、堇青石、钛酸铝或或多铝红柱石。
这些材料具有众多优点：
-高过滤效率；
-非常高的化学惰性，其可以确保颗粒过滤器本身将不导致新杂质的形成；
-非常好的热稳定性，其允许通过使形成的含碳沉积物高温燃烧来再生颗粒过滤器，因此可以重新使用所述过滤器；
-非常高的导热性，其使得试剂在抵达催化床之前被预热；
-良好的机械强度；
-低重量。
优选地，所述多孔陶瓷是碳化硅，其尤其具有良好的耐高温性。
壁厚度、孔尺寸和孔隙率是可以影响所述整块体的性能的参数。所述孔尺寸可以宽泛地变化，特别可以是1-100微米。所述整块体的孔隙率可以是10％-70％。
可适合于本发明的范围中的整块体的例子是专利FR 2796638中披露的多孔陶瓷材料制成的蜂窝结构。
所述整块体可以具有对称或不对称筛孔。
对称筛孔的一个例子描述于图2中，其中图案(在这里，正方形截面图案)在入口和出口之间是相同的，入口截面等于出口截面。
图3-8示出了不对称的筛孔。不对称的筛孔由以下事实进行限定：入口通道和出口通道不具有相同的尺寸，但同时具有明确的和精确的几何形状。不对称整块体具有优于对称整块体的优点：在它们必须被置换之前，它们能够积聚更大量的焦炭/颗粒，因为入口室具有比出口室并因此比常规室更大的容积和更大的交换面积。图3示出了具有八边形通道和正方形通道的不对称室。所述正方形通道在入口端是封闭的，而所述八边形通道在另一端是封闭的。这种不对称是特别有利的，因为可用于积聚焦炭的容积显著更大。这种不对称结构在期望在长时期内积聚焦炭的情况是特别有意义的。图4和5描述了具有正方形和矩形通道的不对称筛孔。还可以获得具有三角形筛孔的更复杂的设计，如例如在图6-8中示出的那样。这种构思打开了几何结构的众多可能性，其并不限于附图中示出的那些。
本发明的整块体的尺寸可以宽泛地变化，但是所述尺寸优选适应于反应器的管的尺寸，从而仅构成单个块，使得卸除和重新安装极度容易。所述尺寸可以从数毫米到数百毫米变化，特别是10-50mm。组合数个整块体，例如通过使用耐火粘合剂把它们焊接在一起，或通过把它们设置在可容易地卸除的筐中，并不偏离本发明。
所述截面可以具有各种几何形状，例如可以是正方形的，圆形的或椭圆形的。
所述整块体的长度可以是5-100cm，优选10-50cm，更优选15-30cm。
所述整块体可根据本领域技术人员公知的方法容易地进行再生。再生在具有与过滤器的过载或孔的堵塞相关的压力增加的问题出现之前进行。
在图9中示出的本发明的一个特定实施方案中，整块体1是部分插入反应器2中在催化剂床3的表面上的。该构造只可以用整块体得到，不能用本领域技术人员公知的在于使用珠床的方案得到。这种构造的特别优点在于其可以在反应器中使用更多的催化剂并因此使得增加工业反应器的生产率。在本发明的一个优选实施方案中，所述整块体被部分地插入多管反应器的每个管中。
可以在本发明中实施的催化反应是例如气相氧化反应，例如丙烷或丙烯氧化为丙烯醛，丙烯醛或丙烷氧化为丙烯酸，异丁烯或叔丁醇氧化为异丁烯醛或甲基丙烯酸，甲醇氧化为甲醛或二甲氧基甲烷，邻二甲苯氧化为邻苯二甲酸酐，丁烷氧化为马来酸酐，苯氧化为马来酸酐，萘氧化为邻苯二甲酸酐，乙烯氧化为环氧乙烷。还可以提及甘油脱水为丙烯醛，甘油氧化脱水为丙烯酸，甲醇转化为甲硫醇，或使用固定多管床的任何其它反应。
本发明还涉及填充有催化剂的多管反应器，在该催化剂上布置整块体作为颗粒过滤器以避免催化剂失活，其中所述整块体包括其壁由多孔陶瓷材料制成的且其入口截面大于或等于出口截面平行通道。
现在将通过实施例进一步阐释本发明，提供的实施例没有任何暗示的限制作用。
实施例
进行压降测量以对比各种颗粒过滤器构造。
使用由内径25.4mm的管组成的反应器，其填充有颗粒过滤器超过25cm的高度。
对于从0-2.7m3/h的各个氮气流速，对于每个体系单独地直接在反应器的入口和出口之间测量压降的差异。所述流速在环境温度和压力(1atm和25℃)给出。
测试的颗粒过滤器列在下表中：
 过滤器   类型   特征/参考
 实施例1(对比)   玻璃珠   直径5.2mm
 实施例2(对比)   陶瓷泡沫体30dpi   Porvair-Selee
 实施例3(对比)   大捕集器8mm   Saint Gobain NORPRO
 实施例4(对比)   大捕集器6mm   Saint Gobain NORPRO
 实施例5   不对称整块体   见图11中的照片
 实施例6   对称整块体70cpsi   见图11中的照片
 实施例7   对称整块体200cpsi   见图11中的照片
对于测试的每个过滤器，作为氮气流动速率的函数，以Pa表示的压降变化示于图10中。
发现与所测试的珠床、陶瓷泡沫体或大捕集器(Macro-trap)相比，整块体具有更低的压降。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于在多管反应器中的催化反应期间限制催化剂失活的方法，其特征在于使用整块体作为颗粒过滤器，所述整块体包括其壁由多孔陶瓷材料制成的且其入口截面大于或等于出口截面的平行通道，一些通道在一端被堵塞。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于每两个通道中一个通道交替地在一端被堵塞。
3.权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述整块体具有对称筛孔。
4.权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述整块体具有不对称的筛孔。
5.前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述整块体由适合所述反应器的管的尺寸的单个块构成。
6.前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述整块体被放置在所述反应器的催化床上。
7.前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述整块体被部分插入在所述反应器的管中。
8.前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是气相氧化反应。
9.前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是丙烯或丙烷氧化成丙烯醛的反应。
10.权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是丙烯醛或丙烷氧化成丙烯酸的反应。
11.权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是邻二甲苯氧化成邻苯二甲酸酐的反应。
12.权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是甲醇氧化成甲醛或二甲氧基甲烷的反应。
13.权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是甘油脱水成丙烯醛的反应。
14.权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于所述催化反应是甘油氧化脱水成丙烯酸的反应。
15.多管反应器，其包括催化剂，在所述催化剂上放置整块体作为颗粒过滤器以避免所述催化剂失活，所述整块体包括壁由多孔陶瓷材料制成的且其入口截面大于或等于出口截面的平行通道，一些通道在一端被堵塞。

Claims (17)

1.包括其壁由多孔陶瓷材料制成的且其入口截面大于或等于出口截面的平行通道的整块体作为颗粒过滤器的用途，其用于在多管反应器中的催化反应期间限制催化剂失活。
2.权利要求1所述的用途，其特征在于某些通道在一端被堵塞。
3.权利要求1或2所述的用途，其特征在于每两个通道中一个通道交替地在一端被堵塞。
4.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述整块体由多孔陶瓷材料制成，其包括碳化硅、堇青石、钛酸铝或多铝红柱石。
5.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述整块体具有对称筛孔。
6.权利要求1至4任一项所述的用途，其特征在于所述整块体具有不对称的筛孔。
7.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述整块体由适合于所述反应器的管的尺寸的单个块构成。
8.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述整块体被放置在所述反应器的催化床上。
9.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述整块体被部分插入所述反应器的管中。
10.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是气相氧化反应。
11.前述权利要求任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是丙烯或丙烷氧化成丙烯醛的反应。
12.权利要求1-10中任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是丙烯醛或丙烷氧化成丙烯酸的反应。
13.权利要求1-10中任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是邻二甲苯氧化成邻苯二甲酸酐的反应。
14.权利要求1-10中任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是甲醇氧化成甲醛或二甲氧基甲烷的反应。
15.权利要求1-9中任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是甘油脱水成丙烯醛的反应。
16.权利要求1-9中任一项所述的用途，其特征在于所述催化反应是甘油氧化脱水成丙烯酸的反应。
17.填充催化剂的多管反应器，在所述催化剂上放置整块体作为颗粒过滤器以避免所述催化剂失活，所述整块体包括其壁由多孔陶瓷材料制成的且其入口截面大于或等于出口截面的平行通道。
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